周浙昆
青藏高原与江南水乡的隔空呼唤 精选
2021-1-27 23:59
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青藏高原和江南水乡相隔万里,有着完全不同的地貌特征和生态环境。而两种间却有着千丝万缕的联系。你是否相信,是2300万年前高原的巨变,造就了今天的江南水乡。

地质学和古生物证据都表明,在古近纪(大约6600–2300万年)有一条横跨东西的干旱带横亘中国,中新世开始(大约2300万年)这条横跨东西的干旱带逐渐消失,取而代之的是西干东湿的气候格局,江南水乡也从此形成。随着气候环境的改变,东亚的植被类型也发生了根本性变化,形成了以壳斗科、樟科、木兰科和山茶科(俗称四大金刚)为优势的亚热带常绿阔叶林。然而,这一重大环境与生物演变事件的驱动机制是什么?这一直是地质学和生物学研究的热点。


图2. 以壳斗科、樟科、木兰科和山茶科为优势的亚热带常绿阔叶林

地质学的相关研究认为青藏高原的隆升,驱动了这一重大变化。由于中国中部恰巧位于北纬20–30°,是副热带高压控制的区域,随着青藏高原的隆升,造成了大气环流改变、季风气候增强、夏季降雨增加,横跨东西的干旱带消失。然而,青藏高原并非作为一个统一的整体而隆升,其形成的历史比人们认识更加复杂。

现代分子生物学的研究认为亚热带常绿阔叶的四大金刚之一的山茶科虽然起源于白垩纪晚期但在渐新世-中新世交替期之后,以山茶科植物才成为亚热带常绿阔叶林的主要成分之一,与上述重大事件转换的时间吻合。孙航的研究团队研究认为东亚植物区系的核心区域中国-日本森林植物亚区起源时间,是中新世之后。

青藏高原由不同地块组成,关于高原的形成和生长,有围绕中部生长的原西藏高原假说,也有从南到北逐步生长的假说。青藏高原的生长如何影响和改变东亚气候环境和生物多样性格局,仍需要深入的研究。

图3. 组成青藏高原的不同地块

为了从更大的尺度来探索这一问题,我们团队想到了古气候数值模拟、植被和植物多样性模拟和植物化石数据的综合分析。我们首先利用英国气象局哈德利中心的HadCM3模型,设置了晚渐新世18种青藏高原不同的地形地貌情景,将这些情景下模拟得到的气候数据,分别输入到SDGVM全球动态植被模型(Sheffield dynamic global vegetation model)和JeDi-DGVM植物多样性模型(Jena Diversity-Dynamic Global Vegetation Model)。然后将所模拟的东亚植被和植物多样性的结果和已有的化石记录做对照,结果发现青藏高原北部(羌塘地块)和东北部(松潘-甘孜地块)的生长,在这一重大环境和植物多样性的转变中起到了决定性的作用。

图6. 图5假设情景下产生的气候要素

图7. 青藏高原北部和东北部隆升改变了东亚的生物多样性格局

青藏高原北部和东北部的生长增强了东亚季风气候系统,夏季风将水汽从海洋输送到陆地,带来丰沛的夏季降水。青藏高原北部隆升还阻挡了冬季风,导致中国南方冬季降雨增加。这些气候变化驱动了东亚植被从以落叶阔叶林为主的干旱、半干旱植被类型转变为以常绿阔叶林为主的湿润、半湿润植被类型,并促进了植物多样性的增加。冬季降雨量的增加是驱动植被和植物多样性变化的最重要因素。正是青藏高原北部的生长,我国南方在丰富的降水条件下才孕育出亚热带常绿阔叶林以及美丽富饶的江南水乡。

我们这项研究与前人研究相比较,主要有两个创新点:首先是揭示了青藏高原北部和东北部在渐新世之后的生长是驱动东亚气候环境变化及植被和植物多样性转变的关键因子,而之前的研究更多的是关注青藏高原整体抬升,特别是喜马拉雅的抬升对这一变化的影响;其次,之前的大量研究都表明青藏高原隆升会导致东亚冬季风增强,我们的研究则发现中国东南部的冬季风强度反而因为青藏高原的生长而减弱;冬季降雨量增加,是驱动该地区的植被和植物多样性转变的重要因素。现存的水杉、杜仲等大多数东亚孑遗植物都是分布在冬季比较湿润的地区,这也佐证了我们的结论。在研究方法上,我们也有两点创新:一是将古气候模型、植被和植物多样性模型以及化石记录有机的结合起来,探讨“地球环境的改变如何影响生物多样性演化”这一重大科学问题,二是首次把JeDi-DGVM植物多样性模型运用于地质历史时期并和化石记录相验证。

这一研究结果美国东部时间2021127日以“Orographic evolution of northern Tibet shaped vegetation and plant diversity in eastern Asia”为题发表于《科学进展》(https://advances.sciencemag.org/content/7/5/eabc7741)

这篇文章的发表,还要从李树峰博士4年前获得的那次出国留学的机会说起。李树峰是我的博士研究生,和其他同学不一样,他在大学教过书又在政府部门工作过。丰富的经历使他成为我最省心的学生之一,但凡我安排的工作,他都能出色的完成。他的文章数量不算多,但质量都不错。他有很强的计算机功底而且和数学也不错,在研究中善于开动脑筋,毕业后留在研究组工作。留所不到一年,他就获得了出国留学的机会,他来找我商量去何处继续学习深造。他博士期间的工作是孢粉学,他最初的想法是继续去国外学习孢粉学,而我劝他去学习新的东西。我对他说再去学习孢粉学也就是锦上添花,不如去学习古气候模型。在研究工作中,我深知模型的重要性,但是对于如何开展模型的研究却是一窍不通,我希望他利用这次机会去学习古气候模型。这个时候,我们正和英国Bristol大学开展中英合作项目的研究,英方的首席科学家Paul Valdes教授,是Bristol大学著名的古气候模型专家。由于双方有合作关系,树峰顺利地到Bristol大学进行学习和合作研究。这个时候我们课题组还也正在承担中国科学院A类战略性先导科技专项——《泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设》和“青藏高原二次科考项目”的研究,青藏高原的环境变化是如何影响生物多样性演变的,是我们重点关注的一个科学问题。于是李树峰把目光聚焦在青藏高原的生长是如何影响东亚气候环境和生物多样性格局这个重大科学问题上来。

模型的工作原理其实就和天气预报相似,就是基于对地球气候系统过程中的各种影响因子的研究,如太阳辐射、大气环流、大气成分、下垫面因素等,来建立的数学方程,模拟气候变化。古气候模型则还需要考虑地质历史时期的地形地貌、地球轨道参数、大气中温室气体的浓度、大陆冰盖、大洋热盐环流、古植被等地质时期的各种可能影响气候变化的因素。古气候模拟中常用的敏感性实验则主要是通过设置某一个边界条件的变化来模拟可能产生的气候环境。在这项研究中,我们通过设置青藏高原不同地块在晚渐新世的生长可能产生的古气候要素,来模拟植被和植物多样性。在前期棕榈化石的研究中,我们则是根据限制棕榈分布的气候要素,来反推可能的地形地貌。

树峰在英国边学边干,对于他来说学习模型还是有不小的挑战。虽然Paul已经建立新生代各地质时代的一系列古气候模型,但是要运用这些模型去解决某个具体的问题,还是要做大量的工作,要写不少的程序和代码。这方面我对树峰的帮助是零,相反我是跟随着李树峰工作学习的过程,以及和Paul的交往过程中,逐步了解了模型工作原理的。Paul是一位非常nice的学者,在生活和工作上都给予了树峰极大的帮助。树峰通过自身的努力并在Paul的帮助下,掌握了古气候模型的原理和方法。   

经过三年的学习和工作,树峰终于完成了这篇论文并在2019年末将论文投给Science。稿件在Science的编辑部呆了半个月后被送审了。一个多月后,我们收到了两份审稿意见,奇怪的是这两位审稿人竟然都不是做古气候模型的专家。一位审稿找出了一堆在写作上和表达上的问题,然后说“The presentation of this work still needs work and seems rushed which is a pity given the potential importance of the results”。另外一个审稿人的审稿意见是署了名的,因此,我们知道是一位古植物学家,他虽然肯定了文章的价值,但是对化石资料的可靠性提出了不少意见。总体上的感觉是,你满怀激情准备给客人上一道大餐,但是客人却对开胃菜评头论足,以至于不再去关心主菜的味道如何。教训啊,准备盛宴的时候,你不仅要做好硬菜,而且也不要忽略了开胃菜,很多时候坏事情的,往往是开胃菜。

我们没有气馁,文章经过了改进和提升又经过了几次审稿,终于在Science Advances得以发表,这项工作终于面世了。

最近两年来,我们研究组连续在National Science ReviewScience AdvancesPNAS等期刊发表了关于青藏高原地球环境演变和植物协同演化的5篇研究论文(见附录),取得这些成绩,有以下几点体会可以总结:

首先,我们有一个团结协作、不畏艰难、敢于拼搏的研究团队。从2011年以来,我们一直在青藏高原开展古植物学的研究,研究组长苏涛身先士卒,每年都带领团队在青藏高原开展数次野外工作。每一位进入我们团队的研究生都去过青藏高原做过野外工作,没有任何一位同学叫过苦和累。10年来,我们采集了3万多件新生代不同时期的植物大化石标本,为探索青藏高原的奥秘,奠定了坚实的基础。

其次是我们赶上了一个好时候,在这个期间我们承担了国家自然科学基金委重点项目、基金委和云南省联合基金重点项目、基金委和英国环境学会联合资助的重点项目,参与了科学院的先导项目以及科技部青藏高原二次科考专项等一些重要科研项目。我们不仅获得了研究经费,更为重要的是参与到一个更大的研究平台中来。

第三是通过国内外合作,我们大大提升了研究水平。在研究中结识了一批国内外不同研究领域的优秀科学家。通过合作,我们开拓了眼界,提升了研究的品味,研究工作也聚焦在重大科学问题上来。在合作研究中,我们围绕共同关心的科学问题展开工作,各自发挥自己的特长和优势,共同探索重大科学问题。

第四是得益于中科院西双版纳热带植物园(版纳园)宽松的科研政策,让我们能够心无旁骛地,围绕重大科学问题开展深入的研究。一项重要成果的产出,从项目设计、样品采集、开展实验,分析结果,再到论文撰写,往往需要数年时间,其过程也十分艰难曲折。这些年我们没有太大的考核压力(研究所每四年考核一次),开支部分人员工资的压力也不大。这些年我们还利用研究所的政策,邀请国内外同行前来开展合作研究,尽可能的,把研究组成员和学生送出去学习和参加国际会议。

以上四点,是不是通常所说的天时、地利、人和?

在中国做古植物研究是幸福的,因为有一流的材料和充足的经费;在版纳园做古植物研究是愉快的,因为有宽松的环境和志同道合的队友。

长风破浪会有时,直挂云帆济沧海。我期待着古生态研究组产生更多、更重要的成果。


附录我们研究组近2年来在National Science Review, Science AdvancesPNAS上发表的论文:


1.    Li S.F*,Valdes, P.J., Farnsworth, A., Barnard T. D., Su T., Lunt D. L., Spicer R. Deng W.Y.D., Huang J., Tang H., Ridgwell A., Chen L., Zhou Z-K*. , 2021 Orographic evolution of northern Tibet shaped vegetation and plant diversity in eastern Asia. Science Advances, 2021; 7:eabc 7741(https://advances.sciencemag.org/content/7/5/eabc7741)

2.     Spicer, R.A*., Su, T., Valdes, P.J., Farnsworth, A., Wu, F.-X., Shi, G., Spicer, T.E.V., Zhou, Z.-K., 2021. Why the 'uplift of the Tibetan Plateau' is a myth. National Science Review, 8:nwaa 091(https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa091)

3.     Su, T*., Spicer, R.A., Wu, F.-X., Farnsworth, A., Huang, J., Del Rio, C., Deng, T., Ding, L., Deng, W.-Y.-D., Huang, Y.-J., Hughes, A., Jia, L.-B., Jin, J.-H., Li, S.-F., Liang, S.-Q., Liu, J., Liu, X.-Y., Sherlock, S., Spicer, T., Srivastava, G., Tang, H., Valdes, P., Wang, T.-X., Widdowson, M., Wu, M.-X., Xing, Y.-W., Xu, C.-L., Yang, J., Zhang, C., Zhang, S.-T., Zhang, X.-W., Zhao, F., Zhou, Z.-K*., 2020. A Middle Eocene lowland humid subtropical “Shangri-La” ecosystem in central Tibet. Proceedings of the National Academy of Sciences 117, 32989-32995.(https://doi.org/10.1073/pnas.2012647117)

4.     Su T*, Farnsworth A, Spicer RA, Huang J, Wu F-X, Liu J, Li S-F, Xing Y-W, Huang Y-J, Deng W-Y-D, Tang H, Xu C-L, Zhao F, Srivastava G, Valdes PJ, Deng T, Zhou Z-K*, 2019. No high Tibetan Plateau until the Neogene. Science Advances, 5:eaav2189(https://advances.sciencemag.org/content/5/3/eaav2189)

5.     Su T*, Spicer R A, Li S-H, Xu H, Huang J, Sherlock S, Huang Y-J, Li S-F, Wang L, Jia L-B, Deng W-Y-D, Liu J, Deng C-L, Zhang S-T, Valdes P J, Zhou Z-K*, 2019. Uplift, Climate and Biotic Changes at the Eocene-Oligocene Transition in Southeast Tibet. National Science Review, 6: 495-504.(https://doi.org/10.1093/nsr/nwy062)

 

 

 


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